DE102021200088A1 - Air supply device for an aircraft fuel cell propulsion system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinrichtung (10) und ein Verfahren zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle (20) eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft, wobei der Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb eine Luftversorgungseinrichtung (10) mit einer Verdichteranordnung (11) aufweist, wobei Umgebungsluft mittels der Verdichteranordnung (11) verdichtet und wenigstens ein Teil der verdichteten Luft zu der wenigstens einen Brennstoffzelle (20) zugeführt wird.The invention relates to an air supply device (10) and a method for supplying compressed air to at least one fuel cell (20) of an aircraft fuel cell drive, the aircraft fuel cell drive having an air supply device (10) with a compressor arrangement (11), wherein Ambient air is compressed by means of the compressor arrangement (11) and at least part of the compressed air is fed to the at least one fuel cell (20).
Description
Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinrichtung für einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb mit einer Verdichteranordnung zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle mit verdichteter Luft sowie ein Verfahren zur Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft.The invention relates to an air supply device for an aircraft fuel cell drive with a compressor arrangement for supplying at least one fuel cell with compressed air and a method for supplying at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive with compressed air.
Brennstoffzellen benötigen für deren Betrieb neben einem Brennstoff ein Oxidationsmittel, welches im Falle von Brennstoffzellen von Flugzeugantrieben üblicherweise von Luft gebildet wird, die verdichtet wird, um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Da der Druck der Umgebungsluft mit zunehmender Flughöhe sinkt, ist bei größeren Flughöhen eine Erhöhung des Massenstroms der zugeführten Luft erforderlich, um eine Brennstoffzelle weitgehend unabhängig von der Flughöhe mit ausreichend verdichteter Luft versorgen zu können.For their operation, fuel cells require, in addition to a fuel, an oxidizing agent, which in the case of fuel cells in aircraft engines is usually formed from air that is compressed in order to achieve a high power density. Since the pressure of the ambient air decreases with increasing flight altitude, an increase in the mass flow of the supplied air is necessary at higher flight altitudes in order to be able to supply a fuel cell with sufficiently compressed air largely independently of the flight altitude.
Brennstoffzellen erzeugen neben elektrischer Energie auch Wärme, die zum Vermeiden einer Überhitzung der Brennstoffzellen abgeführt werden muss. Hierfür wird während der Flugphasen beispielsweise Propeller-Abwind (downwash air) und/ oder Staudruckluft (ram air) eingesetzt, welche insbesondere am Boden und außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs nicht oder nicht im ausreichenden Maß zur Verfügung steht. Entsprechend ist während des Betriebs der Brennstoffzellen außerhalb einer Flugphase des Flugzeugs eine zusätzliche Kühlung der Brennstoffzellen erforderlich, um ausreichend Wärme von diesen abzuführen.In addition to electrical energy, fuel cells also generate heat, which must be dissipated to prevent the fuel cells from overheating. For this purpose, during the flight phases, for example, propeller downwash (downwash air) and/or ram air is used, which is not available or not available to a sufficient extent, particularly on the ground and outside of a flight phase of an aircraft. Accordingly, during operation of the fuel cells outside of a flight phase of the aircraft, additional cooling of the fuel cells is required in order to dissipate sufficient heat from them.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb mit verbesserter Luftversorgung vorzuschlagen, sowie ein Verfahren zum Versorgen eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Proceeding from this, it is an object of the present invention to propose an aircraft fuel cell drive with improved air supply and a method for supplying an aircraft fuel cell drive with compressed air. According to the invention, this is achieved by the teaching of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung eine Luftversorgungseinrichtung für einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb vorgeschlagen, mit einer Verdichteranordnung zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft. Dabei weist die Luftversorgungseinrichtung wenigstens eine Bypasseinrichtung auf, mittels welcher ein Teil der verdichteten Luft wenigstens zeitweise zu einer Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle ableitbar ist.In order to achieve the object, an air supply device for an aircraft fuel cell drive is proposed in a first aspect of the invention, with a compressor arrangement for supplying at least one fuel cell of the aircraft fuel cell drive with compressed air. The air supply device has at least one bypass device, by means of which part of the compressed air can be diverted at least temporarily to a cooling device of the at least one fuel cell.
Eine Brennstoffzelle eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs wandelt Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt um. Ein Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb weist üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf, welche beispielsweise in Form von Brennstoffzellenstapeln angeordnet sind. Eine solche Brennstoffzellenanordnung, welche entsprechend wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, wird im Rahmen der Beschreibung der Erfindung vereinfacht als „wenigstens eine Brennstoffzelle“ bezeichnet. Ähnlich wie eine konventionelle mit Kerosin betriebene Strömungsmaschine benötigt ein Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb verdichtete Luft als Oxidationsmittel, um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Die Luftversorgungseinrichtung dient zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle mit verdichteter Umgebungsluft und weist hierzu neben einer Verdichteranordnung auch die erforderlichen Leitungen, Anschlüsse und Ventile auf. Die Verdichteranordnung weist dabei wenigstens eine entsprechend dimensionierte Verdichtungseinrichtung auf, mittels welcher die wenigstens eine Brennstoffzelle des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs auch in großen Flughöhen mit einem ausreichenden Luftmassenstrom zur Leistungserzeugung versorgbar ist.A fuel cell of an aircraft fuel cell engine converts fuel and oxidant into electrical energy and a reaction product. An aircraft fuel cell drive usually has a large number of fuel cells which are arranged, for example, in the form of fuel cell stacks. Such a fuel cell arrangement, which correspondingly has at least one fuel cell, is simply referred to as “at least one fuel cell” within the scope of the description of the invention. Similar to a conventional turbomachine powered by kerosene, an aircraft fuel cell propulsion system requires compressed air as an oxidant in order to achieve high power density. The air supply device is used to supply the at least one fuel cell with compressed ambient air and, in addition to a compressor arrangement, also has the necessary lines, connections and valves for this purpose. The compressor arrangement has at least one correspondingly dimensioned compression device, by means of which the at least one fuel cell of the aircraft fuel cell drive can be supplied with a sufficient air mass flow for power generation even at high flight altitudes.
Eine solche Verdichtungseinrichtung zum Verdichten von Umgebungsluft kann beispielsweise als Radialverdichter ausgebildet sein. Eine zum Verdichten von Luft als Oxidationsmittel für Brennstoffzellen geeignete Verdichtungseinrichtung ist üblicherweise ölfrei gelagert, insbesondere mit einer Luftlagerung oder einer hydrodynamischen Lagerung ausgeführt. Beispielsweise kann eine Verdichtungseinrichtung der Verdichteranordnung auch in Form eines Schrauben- oder Turboverdichters ausgeführt sein.Such a compression device for compressing ambient air can be designed, for example, as a radial compressor. A compression device suitable for compressing air as an oxidizing agent for fuel cells is usually mounted in an oil-free manner, in particular with an air bearing or a hydrodynamic bearing. For example, a compression device of the compressor arrangement can also be designed in the form of a screw or turbo compressor.
Die Luftversorgungseinrichtung weist wenigstens eine Bypasseinrichtung auf, mittels welcher ein Teil der verdichteten Luft wenigstens zeitweise zu einer Kühleinrichtung der Brennstoffzelle ableitbar ist. Auf diese Weise kann insbesondere abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle und/ oder der Verdichteranordnung ein Teil der von der Verdichteranordnung verdichteten Luft zu einer Kühleinrichtung geführt werden, welche zur Abfuhr der von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugten, überschüssigen Wärme vorgesehen ist, um insbesondere eine Überhitzung der wenigstens einen Brennstoffzelle zu vermeiden. Die Bypasseinrichtung ist dabei beispielsweise steuer- bzw. regelbar ausgeführt, wodurch der Anteil der durch diese zur Kühleinrichtung geführten verdichteten Luft einstellbar ist. Die Bypasseinrichtung führt die abgeleitete Luft insbesondere unmittelbar zur Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle. Besteht kein Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle, kann die gesamte Verdichterleistung für die Versorgung der Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel eingesetzt werden.The air supply device has at least one bypass device, by means of which part of the compressed air can be diverted at least temporarily to a cooling device of the fuel cell. In this way, in particular depending on the operating state of the fuel cell and/or the compressor arrangement, part of the air compressed by the compressor arrangement can be routed to a cooling device, which is provided for dissipating the excess heat generated by the at least one fuel cell, in particular to prevent overheating of the to avoid at least one fuel cell. The bypass device can be controlled or regulated, for example, so that the proportion of the compressed air guided through it to the cooling device can be adjusted. The bypass device directs the discharged air in particular directly to the cooling device of the at least one fuel cell. If the at least one fuel cell does not need to be cooled, the entire compressor output can be used to supply the fuel cell with oxidizing agent.
Die Bypasseinrichtung kann dabei eine an der Verdichteranordnung angeordnete Verzweigungseinrichtung aufweisen, welche in Form eines insbesondere steuer-bzw. regelbaren Ventils ausgebildet ist, welches an einer Luftführungsleitung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel angeordnet ist. Über die Verzweigungseinrichtung ist dabei ein Teil der von der Verdichtungsanordnung verdichteten Luft abzweigbar. Diese wird dann - anders als der andere Teil der verdichteten Luft - nicht als Oxidationsmittel zur Versorgung der Brennstoffzelle, sondern zur Kühlung der Brennstoffzelle eingesetzt.The bypass device can have a branching device arranged on the compressor arrangement, which in the form of a control or controllable valve is formed, which is arranged on an air duct for supplying the fuel cell with oxidizing agent. A portion of the air compressed by the compression arrangement can be branched off via the branching device. This is then - unlike the other part of the compressed air - not used as an oxidizing agent to supply the fuel cell, but to cool the fuel cell.
Mittels der vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung ist insbesondere bedarfsabhängig und daher insbesondere zeitweise ein Teil der verdichteten Luft zu einer Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle ableitbar. In Betriebsphasen, in welchen die wenigstens eine Brennstoffzelle keinen Bedarf an Kühlung durch die Kühleinrichtung aufweist, kann der Bypass auch geschlossen sein, womit insbesondere die gesamte von der Verdichtungsanordnung verdichtete Luft zur wenigstens einen Brennstoffzelle als Oxidationsmittel geführt werden kann. Entsprechend kann der durch die Bypasseinrichtung zur Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle geführte Luftmassenstrom abhängig von deren Kühlungsbedarf zeit- und/ oder volumengesteuert zugeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass in Zeiträumen ohne bzw. mit nur geringem Kühlungsbedarf kein oder nur ein geringer Luftmassenstrom durch die Bypasseinrichtung zur Kühleinrichtung geführt wird, und in Zeiträumen mit einem großen Kühlungsbedarf ein vergleichsweise großer Luftmassenstrom.By means of the proposed air supply device, part of the compressed air can be discharged to a cooling device of the at least one fuel cell, in particular as required and therefore in particular temporarily. In operating phases in which the at least one fuel cell does not need to be cooled by the cooling device, the bypass can also be closed, which means that in particular all of the air compressed by the compression arrangement can be routed to the at least one fuel cell as an oxidizing agent. Correspondingly, the air mass flow guided through the bypass device to the cooling device of the at least one fuel cell can be supplied in a time-controlled and/or volume-controlled manner depending on its cooling requirement. For example, it is possible that no or only a small air mass flow is conducted through the bypass device to the cooling device in periods with no or only little cooling requirement, and a comparatively large air mass flow in periods with a high cooling requirement.
Eine solche Kühleinrichtung kann beispielsweise wenigstens einen durch die verdichtete Luft betriebenen Ejektor (Strahlpumpe/ Air Multipler) aufweisen, der neben der Kühlung der Brennstoffzelle insbesondere auch zur Unterstützung des Gesamtkühlsystems eingesetzt werden kann, das insbesondere auch zum Kühlen von E-Motoren und Frequenzumrichter dient. Dabei kann die Kühleinrichtung auch Luftaustrittsdüsen aufweisen, die im Bereich einer Brennstoffzelle angeordnet sind und Kühlluft insbesondere über die Oberfläche des Brennstoffzellengehäuses leiten. Dieses Gehäuse bzw. die Kühleinrichtung kann insbesondere auch mit die Wärmeabfuhr verbessernde Kühlrippen oder andere geeignete, von Kühlluft an- oder durchströmbare Elemente wie Kühlrohre oder Kühlkanäle oder beispielsweise auch geeignete Ventilatoren, Luftverstärker oder dergleichen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr mittels der Kühlluft von der wenigstens einen Brennstoffzelle aufweisen.Such a cooling device can, for example, have at least one ejector (jet pump/air multiplexer) operated by the compressed air, which, in addition to cooling the fuel cell, can also be used in particular to support the overall cooling system, which is also used in particular to cool electric motors and frequency converters. The cooling device can also have air outlet nozzles, which are arranged in the area of a fuel cell and conduct cooling air in particular over the surface of the fuel cell housing. This housing or the cooling device can, in particular, also be equipped with cooling ribs that improve heat dissipation or other suitable elements through which cooling air can flow, such as cooling pipes or cooling ducts, or, for example, also suitable fans, air amplifiers or the like to improve heat dissipation by means of the cooling air from the at least one fuel cell exhibit.
Die vorgeschlagene Luftversorgungseinrichtung ermöglicht ein Abzweigen eines Teils der installierten Verdichterkapazität für die Kühlung insbesondere am Boden und in geringen Flughöhen. Da bodennah ein höherer Umgebungsluftdruck herrscht, ist der korrigierte Luftmassenstrom durch den Verdichter bei gleicher Liefermenge an die Brennstoffzelle kleiner. Mit zunehmender Flughöhe nimmt der Umgebungsluftdruck ab, wodurch bei gleicher Versorgung der Brennstoffzelle der erforderliche korrigierte Luftmassenstrom durch den Verdichter steigt, bis schließlich die gesamte Verdichterkapazität zur Versorgung der Brennstoffzelle erforderlich ist. Da in dieser Flugphase ausreichend Flugwind zur Verfügung steht und die Brennstoffzelle mit geringerer Leistung betrieben wird, sinkt gleichzeitig deren Kühlbedarf. Die vorgeschlagene Luftversorgungseinrichtung für einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb ermöglicht auf diese Weise eine vorteilhafte Wechselwirkung eines ausreichenden Luftmassenstroms für die Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle mit ausreichend Oxidationsmittel in Form von verdichteter Luft auch in großen Flughöhen und der Bereitstellung eines ausreichend großen Kühlluftstroms zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle am Boden und in Flugphasen mit geringerer Wärmeabfuhr durch den Flugwind, wie beispielsweise während der Wartezeit vor dem Beginn des Take-offs. Dabei ist die Leistung der Brennstoffzelle hoch, während gleichzeitig wenig bis keine Kühlluft aus Relativgeschwindigkeit zur Verfügung steht.The proposed air supply device allows part of the installed compressor capacity to be diverted for cooling, particularly on the ground and at low altitudes. Since there is a higher ambient air pressure near the ground, the corrected air mass flow through the compressor is smaller with the same delivery quantity to the fuel cell. With increasing flight altitude, the ambient air pressure decreases, which means that the required corrected air mass flow through the compressor increases with the same supply to the fuel cell, until finally the entire compressor capacity is required to supply the fuel cell. Since sufficient airflow is available in this flight phase and the fuel cell is operated at lower power, its cooling requirement decreases at the same time. In this way, the proposed air supply device for an aircraft fuel cell drive enables an advantageous interaction of a sufficient air mass flow for supplying the at least one fuel cell with sufficient oxidizing agent in the form of compressed air even at high altitudes and the provision of a sufficiently large cooling air flow for cooling the at least a fuel cell on the ground and in flight phases with less heat dissipation by the airborne wind, such as while waiting before the start of take-off. The performance of the fuel cell is high, while at the same time little or no cooling air from relative speed is available.
Bei einer Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung weist die Verdichteranordnung wenigstens zwei Verdichtereinrichtungen auf. Die wenigstens zwei Verdichtereinrichtungen zum Verdichten von Luft können dabei parallel oder in Reihe angeordnet sein, so dass die wenigstens zwei Verdichtereinrichtungen eine ein- oder eine mehrstufige Verdichteranordnung ausbilden. In one embodiment of the air supply device, the compressor arrangement has at least two compressor devices. The at least two compressor devices for compressing air can be arranged in parallel or in series, so that the at least two compressor devices form a single-stage or multi-stage compressor arrangement.
Der Antrieb der Verdichtereinrichtungen kann beispielsweise durch einen Elektromotor erfolgen, insbesondere können auch wenigstens zwei parallel angeordnete Verdichtereinrichtungen von einem gemeinsamen Elektromotor angetrieben sein.The compressor devices can be driven, for example, by an electric motor; in particular, at least two compressor devices arranged in parallel can also be driven by a common electric motor.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung ist die Verdichteranordnung wenigstens zweistufig ausgebildet. Dabei wird die Luft von jeweils einer Verdichterstufe zur nächsten geführt, so dass mit jeder Verdichterstufe der Verdichtungsgrad und damit der Druck bzw. die Dichte der verdichteten Luft zu nimmt. Mit einer zunehmenden Anzahl von Verdichterstufen ist so ein steigender Verdichtungsgrad der Luft erreichbar. Auch bei dieser Ausführung weist jede Verdichterstufe eine oder mehrere parallel angeordnete Verdichtungseinrichtungen auf. Vorteilhaft können bei einer derartigen Verdichteranordnung auch vergleichsweise kleine Verdichter mit geringer Bauhöhe eingesetzt werden.In a further embodiment of the air supply device, the compressor arrangement is designed in at least two stages. The air is guided from one compressor stage to the next, so that the degree of compression and thus the pressure or density of the compressed air increases with each compressor stage. With an increasing number of compressor stages, an increasing degree of compression of the air can be achieved. In this embodiment, too, each compression stage has one or more compression devices arranged in parallel. Comparatively small compressors with a low overall height can also be used advantageously in such a compressor arrangement.
Bei einer Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung ist die Bypasseinrichtung nach der ersten oder nach einer zweiten oder nach einer weiteren Verdichterstufe angeordnet. Aufgrund der zunehmenden Verdichtung der Luft mit jeder Verdichtungsstufe ist bei der Auslegung der Luftversorgungseinrichtung durch die Anordnung der Bypasseinrichtung bzw. des Lufteingangs der Bypasseinrichtung der Verdichtungsgrad der Luft festlegbar, welche der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle zugeführt wird. Auf diese Weise kann durch die Anordnung der Bypasseinrichtung die Kühlwirkung der Kühleinrichtung beeinflusst werden. Insbesondere wird durch die Positionierung der Bypasseinrichtung und damit einer Abzweigung an der Verdichteranordnung der Teil der verdichteten Luft, welche zur wenigstens einen Brennstoffzelle und der Teil, der zur Kühleinrichtung geführt wird, bestimmt, und gleichzeitig auch der Verdichtungsgrad der Verdichtungsanordnung stromabwärts der Bypasseinrichtung beeinflusst.In one embodiment of the air supply device, the bypass device is arranged after the first or after a second or after a further compressor stage. Due to the increasing compression of the air with each compression stage, the degree of compression of the air which is supplied to the cooling device of the fuel cell can be determined in the design of the air supply device by the arrangement of the bypass device or the air inlet of the bypass device. In this way, the cooling effect of the cooling device can be influenced by the arrangement of the bypass device. In particular, the positioning of the bypass device and thus a branch on the compressor arrangement determines the part of the compressed air that is routed to the at least one fuel cell and the part that is routed to the cooling device, and at the same time also influences the degree of compression of the compression arrangement downstream of the bypass device.
Eine Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung weist wenigstens einen Luftkühler zum Kühlen der verdichteten Luft auf. Ein solcher Luftkühler kann beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein. Durch den Verdichtungsvorgang, insbesondere durch die dabei auftretende innere Gasreibung steigt die Temperatur der durch die Luftversorgungseinrichtung geführten Luft. Durch die höhere Temperatur der verdichteten Luft steigt der korrigierte Luftmassenstrom insbesondere auch in einer nachfolgenden Verdichterstufe und somit deren Leistungsbedarf. One embodiment of the air supply device has at least one air cooler for cooling the compressed air. Such an air cooler can be designed as a heat exchanger, for example. The temperature of the air guided through the air supply device increases as a result of the compression process, in particular as a result of the internal gas friction that occurs. Due to the higher temperature of the compressed air, the corrected air mass flow also increases, in particular in a subsequent compressor stage, and thus its power requirement.
Mittels des wenigstens einen Luftkühlers kann die Luft in der Luftversorgungseinrichtung insbesondere nach wenigstens einer Verdichtungsstufe gekühlt werden, wodurch der wenigstens einen Brennstoffzelle und/ oder der Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle ein höherer Luftmassenstrom zuführbar ist.The at least one air cooler can be used to cool the air in the air supply device, in particular after at least one compression stage, as a result of which the at least one fuel cell and/or the cooling device of the at least one fuel cell can be supplied with a higher air mass flow.
Eine Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung weist einen nach der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordneten Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser aus dem Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle auf. Wenigstens ein Teil des abgeschiedenen Wassers kann zur Befeuchtung der Luft eingesetzt werden, welche der wenigstens einen Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zugeführt wird. Das Wasser dient dabei zum Befeuchten der Polymer-Elektrolyt-Membran der Brennstoffzelle, um deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Ebenso senkt das Befeuchten des Oxidationsmittel auch die Temperatur des der Brennstoffzelle unmittelbar zugeführten Luftmassenstroms. Zum Betreiben der wenigstens einen Brennstoffzelle mit einem vorteilhaften Wirkungsgrad ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des Oxidationsmittels, das der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt wird, in einem günstigen Temperaturbereich liegt. Dieser Temperaturbereich ist von der Art der Brennstoffzelle abhängig und liegt beispielsweise bei Niedertemperaturbrennstoffzellen zwischen 55°C und 95°C. Zusätzlich abgeschiedenes Wasser kann für weitere Einrichtungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs oder des Flugzeugs eingesetzt werden, wie beispielsweise für Kühleinrichtungen. Das Abscheiden von Wasser aus dem Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle dient zusätzlich auch dem Umweltschutz, da hierdurch die Bildung von Kondensationsstreifen in der Atmosphäre reduziert werden kann.One embodiment of the air supply device has a water separator arranged after the at least one fuel cell for separating water from the exhaust gas of the at least one fuel cell. At least part of the separated water can be used to humidify the air which is fed to the at least one fuel cell as an oxidizing agent. The water serves to moisten the polymer electrolyte membrane of the fuel cell in order to increase its performance. Likewise, the humidification of the oxidizing agent also lowers the temperature of the air mass flow fed directly to the fuel cell. In order to operate the at least one fuel cell with an advantageous degree of efficiency, it is advantageous if the temperature of the oxidizing agent that is supplied to the at least one fuel cell is in a favorable temperature range. This temperature range depends on the type of fuel cell and is, for example, between 55°C and 95°C in the case of low-temperature fuel cells. Additionally separated water can be used for other devices of the aircraft fuel cell drive or the aircraft, such as for cooling devices. Separating water from the exhaust gas of the at least one fuel cell also serves to protect the environment, since this can reduce the formation of condensation strips in the atmosphere.
Bei einer Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung weist diese eine Steuereinrichtung zum Steuern der Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung auf. Eine solche Steuereinrichtung dient neben dem Steuern selbstverständlich auch zum Regeln der Luftversorgungseinrichtung mit ihrem Elementen sowie zur Einbindung der Luftversorgung in die Steuerung des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs sowie des Flugzeugs insgesamt. Im Rahmen der Erfindung wird die Bezeichnung „Steuern“ auch für entsprechendes „Regeln“ verwendet. Die Steuereinrichtung der Luftversorgungseinrichtung dient im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere der Abstimmung der Verdichtungsleistung der Verdichteranordnung zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle mit verdichteter Luft und damit zur ausreichenden Versorgung mit Oxidationsmittel unabhängig von der Flughöhe sowie zur Bereitstellung eines ausreichenden Kühlluftstroms zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle insbesondere am Boden oder in Flugphasen mit Kühlungsbedarf.In one embodiment of the air supply device, it has a control device for controlling the devices of the air supply device. In addition to controlling, such a control device naturally also serves to regulate the air supply device with its elements and to integrate the air supply into the control of the aircraft fuel cell drive and the aircraft as a whole. Within the scope of the invention, the term “control” is also used for the corresponding “regulation”. In the context of the present invention, the control device of the air supply device serves in particular to coordinate the compression output of the compressor arrangement for supplying the at least one fuel cell with compressed air and thus for an adequate supply of oxidizing agent regardless of the flight altitude and for providing an adequate cooling air flow for cooling the at least one fuel cell in particular on the ground or in flight phases with cooling requirements.
In einem zweiten Aspekt wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft vorgeschlagen, wobei der Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb eine Luftversorgungseinrichtung mit einer Verdichteranordnung aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:
- - Verdichten von Umgebungsluft mittels der Verdichteranordnung;
- - Zuführen wenigstens eines Teils der verdichteten Luft zur wenigstens einen Brennstoffzelle; und
- - Ableiten eines Teils der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigsten einen Brennstoffzelle abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle.
- - Compression of ambient air by means of the compressor assembly;
- - Supplying at least a portion of the compressed air to the at least one fuel cell; and
- - diverting a portion of the compressed air to cool the at least one fuel cell depending on the cooling needs of the at least one fuel cell.
Eine für die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignete Luftversorgungseinrichtung für einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb mit einer Verdichteranordnung kann dabei entsprechend der oder einem Teil der vorausgehenden Beschreibung ausgebildet sein und wenigstens einen Teil der hierzu beschriebenen Merkmale aufweisen.An air supply device suitable for the application of the proposed method for an aircraft fuel cell propulsion system with a compressor arrangement can be designed in accordance with or a part of the preceding description and have at least some of the features described for this purpose.
In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt ein Verdichten von Umgebungsluft in der Verdichteranordnung der Luftversorgungseinrichtung, insbesondere zum Zuführen der verdichteten Luft als Oxidationsmittel zur wenigstens einen Brennstoffzelle. Der erzielte Verdichtungsgrad der verdichteten Luft bzw. der generierte Luftmassenstrom ist dabei abhängig von den Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs, insbesondere vom mit zunehmender Flughöhe sinkenden Umgebungsdruck. Um einen ausreichenden Verdichtungsgrad zu erreichen, kann die Verdichteranordnung mehrere Verdichtereinrichtungen und/ oder Verdichterstufen aufweisen, wie beispielsweise vorausgehend im Zusammenhang mit der im ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung beschrieben ist.In a first method step, ambient air is compressed in the compressor arrangement of the air supply device, in particular for supplying the compressed air as an oxidizing agent to the at least one fuel cell. The achieved degree of compression of the compressed air or the generated air mass flow is dependent on the ambient conditions of the aircraft fuel cell drive, in particular on the decreasing ambient pressure with increasing flight altitude. In order to achieve a sufficient degree of compression, the compressor arrangement can have a plurality of compressor devices and/or compressor stages, as described above, for example, in connection with the air supply device proposed in the first aspect of the invention.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird wenigstens ein Teil der verdichteten Luft der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt, wo sie als Oxidationsmittel zur Leistungserzeugung der Brennstoffzelle dient. Um die wenigstens eine Brennstoffzelle mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben zu können ist, wie vorausgehend auch bereits zur vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung beschrieben ist, ein ausreichender Luftmassenstrom und damit auch ein ausreichender Verdichtungsgrad der zugeführten Luft erforderlich.In a second method step, at least part of the compressed air is supplied to the at least one fuel cell, where it is used as an oxidizing agent for generating power in the fuel cell. In order to be able to operate the at least one fuel cell with a high degree of efficiency, a sufficient air mass flow and thus also a sufficient degree of compression of the air supplied is required, as has already been described above for the proposed air supply device.
In einem dritten Verfahrensschritt wird abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle ein Teil der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle abgeleitet. Auf diese Weise kann abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle sowie insbesondere auch vom Betriebszustand der Verdichteranordnung ein Teil der von der Verdichteranordnung verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden, um insbesondere eine Überhitzung der Brennstoffzelle zu vermeiden. In Phasen, in welchen die wenigstens eine Brennstoffzelle einen hohen Bedarf an Oxidationsmittel für deren Betrieb aufweist, der Kühlbedarf aber beispielsweise aufgrund eines starken Flugwinds gering ist, kann das Ableiten eines Teils der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle wahlweise zumindest zeitweise auch unterbrochen werden.In a third method step, depending on the cooling requirement of the at least one fuel cell, part of the compressed air is discharged for cooling the at least one fuel cell. In this way, depending on the cooling requirement of the at least one fuel cell and in particular also on the operating state of the compressor arrangement, part of the air compressed by the compressor arrangement can be used to cool the at least one fuel cell, in particular to avoid overheating of the fuel cell. In phases in which the at least one fuel cell has a high requirement for oxidizing agent for its operation, but the cooling requirement is low, for example due to a strong wind, the discharge of part of the compressed air for cooling the at least one fuel cell can optionally also be interrupted at least temporarily .
Zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle mit einem Teil der verdichteten Luft kann eine insbesondere im Bereich der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordnete Kühleinrichtung vorgesehen sein, welche ein oder mehrere Merkmale der vorausgehend im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung beschriebenen Kühlreinrichtung aufweist.To cool the at least one fuel cell with a portion of the compressed air, a cooling device arranged in particular in the area of the at least one fuel cell can be provided, which has one or more features of the cooling device described above in connection with the proposed air supply device.
Zum Ableiten der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle kann die Luftversorgungseinrichtung wenigstens eine insbesondere steuerbare Bypasseinrichtung aufweisen, welche entsprechend einem oder mehrerer Merkmale der vorausgehend im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung beschriebenen Bypasseinrichtung ausgebildet ist. Die abgeleitete Luft wird somit - anders als der verbleibemde Teil der verdichteten Luft - nicht als Oxidationsmittel zur Versorgung der Brennstoffzelle, sondern zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle eingesetzt.To discharge the compressed air for cooling the at least one fuel cell, the air supply device can have at least one, in particular controllable, bypass device which is designed according to one or more features of the bypass device described above in connection with the proposed air supply device. The discharged air is thus - unlike the remaining part of the compressed air - not used as an oxidizing agent for supplying the fuel cell, but for cooling the at least one fuel cell.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft ermöglicht somit eine vorteilhafte Wechselwirkung eines ausreichenden Luftmassenstroms zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle auch in großen Flughöhen mit einer ausreichenden Oxidationsmittelzufuhr in Form von verdichteter Luft und der Bereitstellung eines ausreichend großen Kühlluftstroms zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle insbesondere am Boden oder in Flugphasen mit geringerer Wärmeabfuhr durch den Flugwind. Dabei kann bei geringerem Luftbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle zur Leistungserzeugung beispielsweise in niedrigen Flughöhen bzw. Fluggeschwindigkeiten oder am Boden die zur Leistungserzeugung nicht erforderliche verdichtete Luft zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden.The proposed method for supplying at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive with compressed air thus enables an advantageous interaction of a sufficient air mass flow for supplying the at least one fuel cell even at high altitudes with a sufficient supply of oxidizing agent in the form of compressed air and the provision of a sufficiently large Cooling air flow for cooling the at least one fuel cell in particular on the ground or in flight phases with less heat dissipation by the airborne wind. When the at least one fuel cell requires less air to generate power, for example at low altitudes or flight speeds or on the ground, the compressed air that is not required for generating power can be used to cool the at least one fuel cell.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft weist als weiteren Schritt ein Steuern der Verdichtungsleistung der Verdichteranordnung insbesondere abhängig von den Umgebungsbedingungen und/ oder dem Betriebszustand der wenigstens einen Brennstoffzelle auf. Dabei kann beispielsweise die Temperatur der wenigstens einen Brennstoffzelle, aus welcher sich ein Bedarf für den zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle erforderlichen Luftmassenstrom ergibt, in die Steuerung der Verdichtungsleistung einfließen.One embodiment of the method for supplying compressed air to at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive system includes, as a further step, controlling the compression capacity of the compressor arrangement, in particular depending on the ambient conditions and/or the operating state of the at least one fuel cell. In this case, for example, the temperature of the at least one fuel cell, from which there is a need for the air mass flow required for cooling the at least one fuel cell, can be included in the control of the compression output.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft weist als weiteren Schritt ein Kühlen der verdichteten Luft auf. Für diesen Zweck weist die Luftversorgungseinrichtung wenigstens einen Luftkühler auf, welche beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein kann. Ein solcher Luftkühler kann beispielsweise nach wenigstens einer Verdichterstufe angeordnet sein, um die insbesondere durch den Verdichtungsvorgang erwärmte Luft abzukühlen und so einen höheren Verdichtungsgrad zu erreichen. Das Kühlen der verdichteten Luft trägt somit zu einer Erhöhung des durch die Luftversorgungseinrichtung zur Verfügung gestellten Luftmassenstrom bei.One embodiment of the method for supplying compressed air to at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive system has a cooling of the compressed air as a further step. For this purpose, the air supply device has at least one air cooler, which is designed, for example, as a heat exchanger that can be. Such an air cooler can be arranged, for example, after at least one compressor stage, in order to cool the air that has been heated, in particular by the compression process, and thus to achieve a higher degree of compression. The cooling of the compressed air thus contributes to an increase in the air mass flow made available by the air supply device.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft weist als weiteren Schritt ein Anfeuchten der verdichteten Luft durch Zuführen von Wasser auf. Wie bereits vorausgehend beschrieben ist, kann durch das Wasser insbesondere die Temperatur des der Brennstoffzelle unmittelbar zugeführten Luftmassenstroms verringert werden. Eine niedrigere Temperatur des Oxidationsmittels verbessert den Wirkungsgrad der wenigstens einen Brennstoffzelle. Für das Anfeuchten der verdichteten Luft kann insbesondere Wasser verwendet werden, welches vom Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle abgeschieden worden ist.One embodiment of the method for supplying compressed air to at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive system has, as a further step, moistening of the compressed air by supplying water. As already described above, in particular the temperature of the air mass flow fed directly to the fuel cell can be reduced by the water. A lower oxidant temperature improves the efficiency of the at least one fuel cell. In particular, water that has been separated from the exhaust gas of the at least one fuel cell can be used for humidifying the compressed air.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
-
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung für einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb; -
2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung für einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb; -
3 eine schematische Darstellung noch einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung für einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb; und -
4 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft.
-
1 a schematic representation of an exemplary air supply device according to the invention for an aircraft fuel cell drive; -
2 a schematic representation of a further exemplary air supply device according to the invention for an aircraft fuel cell drive; -
3 a schematic representation of yet another exemplary air supply device according to the invention for an aircraft fuel cell drive; and -
4 a schematic representation of a flow chart of the method according to the invention for supplying at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive with compressed air.
Der Luftversorgungseinrichtung 10 wird über einen Lufteinlass 2 Umgebungsluft zugeführt, welche anschließend durch einen Luftfilter 3 zu einer Verdichtereinrichtung 12 der Verdichteranordnung 11 geleitet wird. In der Verdichtereinrichtung 12 wird die Umgebungsluft verdichtet und in eine Versorgungsleitung 4 der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 geführt. Ambient air is supplied to the
An der Versorgungsleitung 4 der Luftversorgungseinrichtung 10 ist eine Bypasseinrichtung 16 angeordnet, mittels welcher wenigstens zeitweise ein Teil der verdichteten Luft zu einer Kühleinrichtung 17 der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 ableitbar ist. Die Bypasseinrichtung 16 weist eine nach der Verdichtereinrichtung 12 und damit nach der ersten, da einzigen Verdichterstufe 21 angeordnete Verzweigungseinrichtung 15 auf, mittels welcher ein Teil der verdichteten Luft aus dem Luftstrom abgeleitet werden kann. Über die Bypasseinrichtung 16 kann die verdichtete Luft zur Kühleinrichtung 17 geführt werden, welche dort zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 dient.A
Nach der Verdichteranordnung 21 der Luftversorgungseinrichtung 10 und vor der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 ist ein Luftkühler 18 angeordnet, welcher zum Kühlen der verdichteten Luft dient. Mithilfe des Luftkühlers 18 kann der Wirkungsgrad der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 erhöht werden, da Brennstoffzellen bei einer Durchströmung mit einem kühleren Luftmassenstrom von mehr Luft und damit mehr Oxidationsmittel durchströmt werden, wodurch eine höhere Leistung erzeugbar ist.After the
Im Abgasstrom nach der Brennstoffzelle 20 ist ferner ein Abgaskühler 19 zum Kühlen des aus der Brennstoffzelle 20 strömenden Abgases angeordnet. Dieser Kühlvorgang dient zum einen der Wärme- und damit der Energie(rück)gewinnung und verringert darüber hinaus die Bildung von Kondensstreifen im Flugbetrieb. Zusätzlich wird der aus der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 strömende Abgasstrom über einen im Luftstrom nach der Brennstoffzelle 20 angeordneten Wasserabscheider 31 geführt, welcher Wasser aus dem Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 abscheidet. Wenigstens ein Teil des vom Wasserabscheider 31 abgeschiedenen Wassers wird zu einer Befeuchtungseinrichtung 32 geleitet, welche damit den der Brennstoffzelle 20 zugeführten, verdichteten Luftstrom befeuchtet und dabei zusätzlich auch dessen Temperatur senkt. Schließlich wird die verbrauchte Umgebungsluft über den Luftauslass 6 an die Umgebung abgegeben.An exhaust gas cooler 19 for cooling the exhaust gas flowing out of the
Die Luftversorgungseinrichtung 10 weist darüber hinaus eine Steuereinrichtung 40 zum Steuern der Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung 10 auf. Als beispielhafte, mittels der Steuereinrichtung 40 gesteuerte Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung 10 sind bei der beispielhaft in
Wie bei der Ausführung der
Bei der beispielhaften in
Wie bei der in
Auch die in Verbindung mit
Bei der beispielhaften in
Auch die in Verbindung mit
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: In einem ersten Schritt a) wird Umgebungsluft mittels der Verdichteranordnung 11 verdichtet und in einem zweiten Schritt b) wenigstens ein Teil der verdichteten Luft zu der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 geführt. In einem weiteren Schritt c) wird ein Teil der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 abgeleitet.The method according to the invention has the following steps: In a first step a), ambient air is compressed by means of the
Bei einer optionalen Ausführung des Verfahrens wird in einem Schritt d) die Verdichtungsleistung der Verdichteranordnung 11 insbesondere abhängig von den Umgebungsbedingungen und/ oder dem Betriebszustand der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 gesteuert. Bei einer weiteren optionalen Ausführung des Verfahrens wird in einem Schritt e) die verdichtete Luft gekühlt und bei einer weiteren optionalen Ausführung des Verfahrens wird in einem Schritt f) die verdichtete Luft durch Zuführen von Wasser angefeuchtet.In an optional embodiment of the method, in a step d) the compaction performance the
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- Lufteinlassair intake
- 33
- Luftfilterair filter
- 44
- Versorgungsleitungsupply line
- 66
- Luftauslassair outlet
- 1010
- Luftversorgungseinrichtungair supply device
- 1111
- Verdichteranordnungcompressor arrangement
- 1212
- Verdichtereinrichtungcompression device
- 1313
- Elektromotorelectric motor
- 1414
- Verdichtereinrichtungcompression device
- 1515
- Verzweigungseinrichtungbranching device
- 1616
- Bypasseinrichtungbypass device
- 1717
- Kühleinrichtungcooling device
- 1818
- Luftkühlerair cooler
- 1919
- Abgaskühlerexhaust gas cooler
- 2020
- Brennstoffzellefuel cell
- 2121
- erste Verdichterstufefirst compressor stage
- 2222
- zweite Verdichterstufesecond compressor stage
- 2323
- Elektromotorelectric motor
- 2828
- Luftkühlerair cooler
- 3131
- Wasserabscheiderwater separator
- 3232
- Befeuchtungseinrichtunghumidification device
- 4040
- Steuereinrichtungcontrol device
- 4141
- Signalleitungensignal lines
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